第6章超聲波電動(dòng)機(jī)

1、第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)(Ultrasonic Motor，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱USM)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種全新概念的驅(qū)動(dòng)裝置，它是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種全新概念的驅(qū)動(dòng)裝置，它利用利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)壓電材料的逆壓電效應(yīng)(即電致伸縮效應(yīng)即電致伸縮效應(yīng))，把，把電能轉(zhuǎn)換為彈性體的超聲振動(dòng)電能轉(zhuǎn)換為彈性體的超聲振動(dòng)，并通過(guò)，并通過(guò)摩擦傳動(dòng)的摩擦傳動(dòng)的方式方式轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。這種新型電轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。這種新型電機(jī)一般

2、工作于機(jī)一般工作于20kHz以上的頻率，故稱為超聲波電以上的頻率，故稱為超聲波電動(dòng)機(jī)動(dòng)機(jī)。 1 超聲波電機(jī)的基本原理超聲波電機(jī)的基本原理上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一下一節(jié)節(jié)超聲波電動(dòng)機(jī)的不同命名：超聲波電動(dòng)機(jī)的不同命名：如振動(dòng)電動(dòng)機(jī)如振動(dòng)電動(dòng)機(jī)(Vibration Motor)、壓電電動(dòng)機(jī)壓電電動(dòng)機(jī)(Piezoelectric Motor)、表面波電動(dòng)機(jī)、表面波電動(dòng)機(jī)(Surface Wave Motor)、壓電超聲波電動(dòng)機(jī)、壓電超聲波電動(dòng)機(jī)(Piezoelectric Ultrasonic Motor)、超聲波壓電驅(qū)動(dòng)器、超聲波壓電驅(qū)動(dòng)器/ /執(zhí)行器執(zhí)行器(Ultras

3、onic piezoelectric actuator)等等。等等。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制1.1 超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)返回返回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié) 超聲波電動(dòng)機(jī)由超聲波電動(dòng)機(jī)由定子定子( (振動(dòng)體振動(dòng)體) )和和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子( (移動(dòng)體移動(dòng)體) )兩部分組成兩部分組成 但電機(jī)中既沒(méi)有線圈也沒(méi)有永磁體，其定子由彈性體但電機(jī)中既沒(méi)有線圈也沒(méi)有永磁體，其定子由彈性體

4、(Elastic body)(Elastic body)和壓電陶瓷和壓電陶瓷(Piezoelectric ceramic)(Piezoelectric ceramic)構(gòu)成構(gòu)成 轉(zhuǎn)子為一個(gè)金屬板。定子和轉(zhuǎn)子在壓力作用下緊密接觸，為轉(zhuǎn)子為一個(gè)金屬板。定子和轉(zhuǎn)子在壓力作用下緊密接觸，為了減少定、轉(zhuǎn)子之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損，通常在二者之間了減少定、轉(zhuǎn)子之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損，通常在二者之間( (在轉(zhuǎn)子上在轉(zhuǎn)子上) )加一層摩擦材料。加一層摩擦材料。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)工作原理：對(duì)極

5、化后的壓電陶瓷元件施加工作原理：對(duì)極化后的壓電陶瓷元件施加定的高頻交變電壓，定的高頻交變電壓，壓電陶瓷隨著高頻電壓的幅值變化而膨脹或收縮，從而在定子壓電陶瓷隨著高頻電壓的幅值變化而膨脹或收縮，從而在定子彈性體內(nèi)激發(fā)出超聲波振動(dòng)，這種振動(dòng)傳遞給與定子緊密接觸彈性體內(nèi)激發(fā)出超聲波振動(dòng)，這種振動(dòng)傳遞給與定子緊密接觸的摩擦材料以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。的摩擦材料以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)返回返回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)當(dāng)對(duì)粘接在金屬?gòu)椥泽w上當(dāng)對(duì)粘接在金屬?gòu)椥泽w上的兩片壓電陶瓷施加相位的兩片壓電陶瓷施加相位差為差為90

6、90 電角度的高頻電電角度的高頻電壓時(shí)，在彈性體內(nèi)產(chǎn)生兩壓時(shí)，在彈性體內(nèi)產(chǎn)生兩組駐波，這兩組駐波合成組駐波，這兩組駐波合成一個(gè)沿定子彈性體圓周方一個(gè)沿定子彈性體圓周方向行進(jìn)的行波，使得定子向行進(jìn)的行波，使得定子表面的質(zhì)點(diǎn)形成一定運(yùn)動(dòng)表面的質(zhì)點(diǎn)形成一定運(yùn)動(dòng)軌跡軌跡( (通常為橢圓軌跡通常為橢圓軌跡) )的的超聲波微觀振動(dòng)，其振幅超聲波微觀振動(dòng)，其振幅一般為數(shù)微米，這種微觀一般為數(shù)微米，這種微觀振動(dòng)通過(guò)定子振動(dòng)通過(guò)定子( (振動(dòng)體振動(dòng)體) )和和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子( (移動(dòng)體移動(dòng)體) )之間的摩擦之間的摩擦作用使轉(zhuǎn)子作用使轉(zhuǎn)子( (移動(dòng)體移動(dòng)體) )沿某沿某一方向一方向( (逆行波傳播方向逆行波傳播方向)

7、)做連續(xù)宏觀運(yùn)動(dòng)。做連續(xù)宏觀運(yùn)動(dòng)。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)2 2 超聲波電機(jī)的發(fā)展超聲波電機(jī)的發(fā)展 超聲波電動(dòng)機(jī)的發(fā)展大體可分為以下三個(gè)階段：超聲波電動(dòng)機(jī)的發(fā)展大體可分為以下三個(gè)階段：1. 探索階段探索階段(1948年年20世紀(jì)世紀(jì)70年代末年代末) USM 原型出現(xiàn)原型出現(xiàn)2.2. 實(shí)用化階段實(shí)用化階段(20(20世紀(jì)世紀(jì)7070年代末年代末8080年代末年代末) ) 商用商用USM USM 產(chǎn)品出現(xiàn)產(chǎn)品出現(xiàn)3.3. 深層次研究深層次研究(20(20世紀(jì)世紀(jì)9090年代年代)

8、 ) 機(jī)理、材料、結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)控制、應(yīng)用機(jī)理、材料、結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)控制、應(yīng)用 多樣化多樣化第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)1. 探索階段探索階段(1948年年20世紀(jì)世紀(jì)70年代末年代末)1 1）超聲波電動(dòng)機(jī)的概念出現(xiàn)于）超聲波電動(dòng)機(jī)的概念出現(xiàn)于1948年，英國(guó)的年，英國(guó)的Williams和和Brown申請(qǐng)了申請(qǐng)了“壓電電動(dòng)機(jī)壓電電動(dòng)機(jī)(Piezoelectric Motor)”的專利，提出了將振動(dòng)能作為驅(qū)動(dòng)力的專利，提出了將振動(dòng)能作為驅(qū)動(dòng)力的設(shè)想，然而由于當(dāng)時(shí)理論與技術(shù)的局限，有效的驅(qū)動(dòng)裝置

9、未能得以實(shí)現(xiàn)。的設(shè)想，然而由于當(dāng)時(shí)理論與技術(shù)的局限，有效的驅(qū)動(dòng)裝置未能得以實(shí)現(xiàn)。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制2 2）1961年，年，Bulova Watch Ltd公司首次利用彈性體振動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)鐘表齒輪，公司首次利用彈性體振動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)鐘表齒輪，工作頻率為工作頻率為360Hz，這種鐘表走時(shí)準(zhǔn)確，每月的誤差只有一分鐘，打破了那，這種鐘表走時(shí)準(zhǔn)確，每月的誤差只有一分鐘，打破了那個(gè)時(shí)代的紀(jì)錄，引起了轟動(dòng)。個(gè)時(shí)代的紀(jì)錄，引起了轟動(dòng)。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制3 3）前蘇聯(lián)學(xué)者）前蘇聯(lián)學(xué)者V. V.

10、Lavrinenko 于于1964年設(shè)計(jì)了第一臺(tái)壓電旋轉(zhuǎn)電機(jī)，此后年設(shè)計(jì)了第一臺(tái)壓電旋轉(zhuǎn)電機(jī)，此后前蘇聯(lián)在超聲波電機(jī)研究領(lǐng)域一度處于世界領(lǐng)先水平，前蘇聯(lián)在超聲波電機(jī)研究領(lǐng)域一度處于世界領(lǐng)先水平，如設(shè)計(jì)了用于微型如設(shè)計(jì)了用于微型機(jī)器人的有機(jī)器人的有2 或或3 個(gè)自由度的個(gè)自由度的超聲波電機(jī)超聲波電機(jī)、 人工超聲肌肉及超聲步進(jìn)電機(jī)等。人工超聲肌肉及超聲步進(jìn)電機(jī)等。不過(guò)，由于語(yǔ)言等方面的原因不過(guò)，由于語(yǔ)言等方面的原因, 前蘇聯(lián)的一些重要研究成果并未被西方科學(xué)前蘇聯(lián)的一些重要研究成果并未被西方科學(xué)界所充分了解。界所充分了解。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其

11、控制4 4）美國(guó)）美國(guó)IBM 公司的公司的Barth 也在也在1973 年提出了一種超聲波電動(dòng)機(jī)的模型，從年提出了一種超聲波電動(dòng)機(jī)的模型，從而使這種新型電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的工作。而使這種新型電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的工作。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制2. 實(shí)用化階段實(shí)用化階段(20世紀(jì)世紀(jì)70年代末年代末80年代末年代末) 1978 1978年，前蘇聯(lián)的年，前蘇聯(lián)的VasilievVasiliev成功地構(gòu)造了一種能夠驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載的壓成功地構(gòu)造了一種能夠驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載的壓電超聲波電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)使用由位于兩個(gè)金屬塊之間的壓電元件所組成電超聲

12、波電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)使用由位于兩個(gè)金屬塊之間的壓電元件所組成的超聲換能器，將該換能器激起與轉(zhuǎn)子接觸的振動(dòng)片縱向振動(dòng)，通過(guò)振動(dòng)的超聲換能器，將該換能器激起與轉(zhuǎn)子接觸的振動(dòng)片縱向振動(dòng)，通過(guò)振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子間的摩擦來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于不僅能降低共振片與轉(zhuǎn)子間的摩擦來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于不僅能降低共振頻率，而且能放大振幅，遺憾的是，這種電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于溫度的升高、頻率，而且能放大振幅，遺憾的是，這種電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于溫度的升高、摩擦及磨損等原因，很難保持振動(dòng)片的恒幅振動(dòng)。摩擦及磨損等原因，很難保持振動(dòng)片的恒幅振動(dòng)。上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章

13、章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制 日本的日本的T. SashidaT. Sashida在在VasilievVasiliev的研究基礎(chǔ)上，于的研究基礎(chǔ)上，于19801980年提出并成功地年提出并成功地制造了一種駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)使用制造了一種駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)使用LangevinLangevin激振器，驅(qū)動(dòng)頻率激振器，驅(qū)動(dòng)頻率為為27.8 kHz27.8 kHz，電輸入功率為，電輸入功率為90W90W，機(jī)械輸出功率為，機(jī)械輸出功率為50W50W，輸出扭矩為，輸出扭矩為0.25N0.25N m m，首次達(dá)到了能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，但由于振動(dòng)片

14、與轉(zhuǎn)子的接觸是固定首次達(dá)到了能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，但由于振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子的接觸是固定在一個(gè)位置上，仍存在著接觸表面上摩擦和磨損等問(wèn)題。在一個(gè)位置上，仍存在著接觸表面上摩擦和磨損等問(wèn)題。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制 1982 1982年，年，SashidaSashida又提出并制造了另一臺(tái)超聲波電動(dòng)機(jī)又提出并制造了另一臺(tái)超聲波電動(dòng)機(jī)行波型超行波型超聲波電動(dòng)機(jī)，從原來(lái)的由駐波定點(diǎn)、定期推動(dòng)轉(zhuǎn)子變換成由行波連續(xù)不斷聲波電動(dòng)機(jī)，從原來(lái)的由駐波定點(diǎn)、定期推動(dòng)轉(zhuǎn)子變換成由行波連續(xù)不斷地推動(dòng)轉(zhuǎn)子，大大地降低了定子與轉(zhuǎn)子接觸面上的摩擦和磨損。這種電機(jī)地推動(dòng)轉(zhuǎn)

15、子，大大地降低了定子與轉(zhuǎn)子接觸面上的摩擦和磨損。這種電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)質(zhì)就是定子表面的質(zhì)點(diǎn)形成了橢圓運(yùn)動(dòng)。之后，在日本掀起能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)質(zhì)就是定子表面的質(zhì)點(diǎn)形成了橢圓運(yùn)動(dòng)。之后，在日本掀起了利用各種振動(dòng)模態(tài)的研究熱潮，如利用縱向、彎曲、扭轉(zhuǎn)等振動(dòng)來(lái)獲得了利用各種振動(dòng)模態(tài)的研究熱潮，如利用縱向、彎曲、扭轉(zhuǎn)等振動(dòng)來(lái)獲得橢圓運(yùn)動(dòng)。這種電機(jī)的研究成功，為超聲波電動(dòng)機(jī)走向?qū)嵱秒A段奠定了基橢圓運(yùn)動(dòng)。這種電機(jī)的研究成功，為超聲波電動(dòng)機(jī)走向?qū)嵱秒A段奠定了基礎(chǔ)。礎(chǔ)。上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)返回返回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制 1987 1

16、987年，行波超聲波電動(dòng)機(jī)終于達(dá)到了商業(yè)應(yīng)用水平。此后許多超聲年，行波超聲波電動(dòng)機(jī)終于達(dá)到了商業(yè)應(yīng)用水平。此后許多超聲波電動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品不斷地研制出來(lái)并推向市場(chǎng)。到波電動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品不斷地研制出來(lái)并推向市場(chǎng)。到2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代中期日本已年代中期日本已形成三個(gè)系列的超聲波電動(dòng)機(jī)：即日立馬克賽爾公司的駐波扭轉(zhuǎn)耦合器系形成三個(gè)系列的超聲波電動(dòng)機(jī)：即日立馬克賽爾公司的駐波扭轉(zhuǎn)耦合器系列、松下電器公司的行波系列和新生公司的彎曲波模態(tài)系列。除日本外，列、松下電器公司的行波系列和新生公司的彎曲波模態(tài)系列。除日本外，Electro Mechanical Systems Electro Mechanical

17、 Systems 公司也推出了英國(guó)第一個(gè)商用超聲波電動(dòng)公司也推出了英國(guó)第一個(gè)商用超聲波電動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品機(jī)系列產(chǎn)品USR30USR30。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制3. 深層次研究深層次研究(20世紀(jì)世紀(jì)90年代年代) 在在2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代，國(guó)外的研究工作主要集中在研究新的驅(qū)動(dòng)機(jī)理、構(gòu)年代，國(guó)外的研究工作主要集中在研究新的驅(qū)動(dòng)機(jī)理、構(gòu)造新的結(jié)構(gòu)形式、開(kāi)發(fā)新型電機(jī)等方面，著重于動(dòng)力傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，尚未能造新的結(jié)構(gòu)形式、開(kāi)發(fā)新型電機(jī)等方面，著重于動(dòng)力傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，尚未能顧及到性能的改善。由于對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)理論研究得不夠透徹，沒(méi)顧及到性能

18、的改善。由于對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)理論研究得不夠透徹，沒(méi)有形成完整的設(shè)計(jì)理論，使超聲波電動(dòng)機(jī)的研究帶有一定程度的盲目性。有形成完整的設(shè)計(jì)理論，使超聲波電動(dòng)機(jī)的研究帶有一定程度的盲目性。直到直到9090年代后，超聲波電動(dòng)機(jī)的建模、性能預(yù)測(cè)等理論問(wèn)題才開(kāi)始引起關(guān)年代后，超聲波電動(dòng)機(jī)的建模、性能預(yù)測(cè)等理論問(wèn)題才開(kāi)始引起關(guān)注，但至今尚無(wú)系統(tǒng)的論述。注，但至今尚無(wú)系統(tǒng)的論述。 目前，世界各國(guó)對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的研究極為活躍，超聲波電動(dòng)機(jī)的研目前，世界各國(guó)對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的研究極為活躍，超聲波電動(dòng)機(jī)的研究趨向多元化。例如，美國(guó)利用其先進(jìn)的材料和究趨向多元化。例如，美國(guó)利用其先進(jìn)的材料和ICIC工藝研制出的微型超聲

19、工藝研制出的微型超聲波電動(dòng)機(jī)，其尺寸僅有數(shù)百微米波電動(dòng)機(jī)，其尺寸僅有數(shù)百微米(250(250 m m 500500 m m 2 2 m)m)，驅(qū)動(dòng)電壓的典型值，驅(qū)動(dòng)電壓的典型值是是5V5V，最低為，最低為1.5V1.5V，轉(zhuǎn)速為，轉(zhuǎn)速為150r/min150r/min。而大型超聲波電動(dòng)機(jī)的扭矩達(dá)。而大型超聲波電動(dòng)機(jī)的扭矩達(dá)400N400N m m。上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制 我國(guó)超聲電機(jī)的研究始于我國(guó)超聲電機(jī)的研究始于2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代，清華大學(xué)、浙江大學(xué)、年代，清華大學(xué)

20、、浙江大學(xué)、吉林大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)吉林大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等先后開(kāi)展了超聲電機(jī)的研究，并取得了可喜的成果。等先后開(kāi)展了超聲電機(jī)的研究，并取得了可喜的成果。19891989年，清華年，清華大學(xué)周鐵英、董蜀湘等申請(qǐng)了國(guó)內(nèi)首項(xiàng)關(guān)于超聲電機(jī)的發(fā)明專利，并大學(xué)周鐵英、董蜀湘等申請(qǐng)了國(guó)內(nèi)首項(xiàng)關(guān)于超聲電機(jī)的發(fā)明專利，并在微型超聲電機(jī)領(lǐng)域取得了一系列的研究成果，下圖為周鐵英研制的在微型超聲電機(jī)領(lǐng)域取得了一系列的研究成果，下圖為周鐵英研制的直徑直徑1 mm1 mm的微型圓柱式超聲電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速的微型圓柱式超聲電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速1 800 r/

21、min1 800 r/min，最大輸出扭，最大輸出扭矩矩4 4NmNm。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制 浙大研制的直徑浙大研制的直徑80 mm80 mm、長(zhǎng)、長(zhǎng)110 mm110 mm、最大輸出扭矩最大輸出扭矩13.2Nm13.2Nm、空載轉(zhuǎn)速、空載轉(zhuǎn)速12.6 12.6 r/minr/min的超聲電機(jī)。的超聲電機(jī)。 吉林大學(xué)在壓電精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面獲吉林大學(xué)在壓電精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面獲得了顯著的成果，圖為其研制的步進(jìn)式壓得了顯著的成果，圖為其研制的步進(jìn)式壓電精密驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻率電精密驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻率(30 Hz)(30 Hz)、高速度

22、高速度(380 (380 rad/srad/s) )、大行程、大行程(270(270) )、高分辨率高分辨率(1 (1 radrad/step)/step)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超聲電機(jī)專用摩擦材料已經(jīng)滿足了工程應(yīng)哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超聲電機(jī)專用摩擦材料已經(jīng)滿足了工程應(yīng)用的需要。用的需要。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制3 3 超聲波電機(jī)的特點(diǎn)超聲波電機(jī)的特點(diǎn)超聲波電動(dòng)機(jī)將電致伸縮、超聲振動(dòng)、波動(dòng)原理這些毫不相干的概念與超聲波電動(dòng)機(jī)將電致伸縮、超聲振動(dòng)、波動(dòng)原理這些毫不相干的概念與電機(jī)聯(lián)系在一起，創(chuàng)造出一種完全新型的電動(dòng)機(jī)。電機(jī)聯(lián)系

23、在一起，創(chuàng)造出一種完全新型的電動(dòng)機(jī)。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制超聲波電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)超聲波電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制4 4 超聲波電機(jī)與電磁電機(jī)的比較超聲波電機(jī)與電磁電機(jī)的比較第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電

24、機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制5 5 超聲波電動(dòng)機(jī)的分類超聲波電動(dòng)機(jī)的分類第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制6 6 超聲波電動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)超聲波電動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)(1) (1) 環(huán)狀或盤式行波型超聲波電動(dòng)機(jī)環(huán)狀或盤式行波型超聲波電動(dòng)機(jī) 由底部粘接著壓電陶瓷元件的環(huán)狀定子和環(huán)狀轉(zhuǎn)子構(gòu)成。對(duì)極化后的壓電由底部粘接著壓電陶瓷元件的環(huán)狀定子和環(huán)狀轉(zhuǎn)子構(gòu)成。對(duì)極化后的壓電陶瓷元件施加陶瓷元件施加定的高頻交變電壓，在定子彈性體中形成沿圓周方向的彎定的高頻交變電壓，在定子彈性體中形成沿圓周方向的彎曲行波。對(duì)定、轉(zhuǎn)子施加一定的預(yù)壓力，轉(zhuǎn)子受到與行波傳播方向相反的曲行波

25、。對(duì)定、轉(zhuǎn)子施加一定的預(yù)壓力，轉(zhuǎn)子受到與行波傳播方向相反的摩擦力作用而連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，定子上的齒槽用于改善電機(jī)的工作性能。摩擦力作用而連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，定子上的齒槽用于改善電機(jī)的工作性能。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)(2) (2) 直線式行波型超聲波電動(dòng)機(jī)直線式行波型超聲波電動(dòng)機(jī)：利用兩個(gè)：利用兩個(gè)LangevinLangevin壓電換能器，分別作為激壓電換能器，分別作為激振器和吸振器，當(dāng)吸振器能很好地振器和吸振器，當(dāng)吸振器能很好地吸收激振器端傳來(lái)的振動(dòng)波時(shí)，有吸收激振器端傳來(lái)的振動(dòng)波時(shí)，有限長(zhǎng)

26、直梁似乎變成了限長(zhǎng)直梁似乎變成了根半無(wú)限長(zhǎng)根半無(wú)限長(zhǎng)梁，這時(shí)，在直梁中形成單向行波，梁，這時(shí)，在直梁中形成單向行波，驅(qū)動(dòng)滑塊作直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)互換激振驅(qū)動(dòng)滑塊作直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)互換激振器與吸振器的位置時(shí)，形成反向行器與吸振器的位置時(shí)，形成反向行波，實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)。波，實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)。，把金屬兩把金屬兩端焊接起來(lái)形成田徑跑道狀的定子軌端焊接起來(lái)形成田徑跑道狀的定子軌道，并在上面設(shè)置具有壓緊裝置的移道，并在上面設(shè)置具有壓緊裝置的移動(dòng)體動(dòng)體(滑塊滑塊)。壓電陶瓷片粘在導(dǎo)軌的。壓電陶瓷片粘在導(dǎo)軌的背面，通過(guò)兩相時(shí)間、空間互差背面，通過(guò)兩相時(shí)間、空間互差90 電角度的壓電陶瓷橫向伸縮，在封閉電角度的壓電陶瓷橫向伸縮

27、，在封閉的彈性導(dǎo)軌中激發(fā)出由兩個(gè)同頻駐波的彈性導(dǎo)軌中激發(fā)出由兩個(gè)同頻駐波疊加而成的行波，以此驅(qū)動(dòng)壓緊在導(dǎo)疊加而成的行波，以此驅(qū)動(dòng)壓緊在導(dǎo)軌上的滑塊做直線運(yùn)動(dòng)。軌上的滑塊做直線運(yùn)動(dòng)。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)(3) 駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)SashidaSashida研制的楔形駐波型超聲波電研制的楔形駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)動(dòng)機(jī): :由由LangevinLangevin振子、振子前端的振子、振子前端的楔形振動(dòng)片和轉(zhuǎn)子三部分組成。楔形振動(dòng)片和轉(zhuǎn)子三部分組成。振子的端面沿長(zhǎng)度方向

28、振動(dòng)，楔形結(jié)振子的端面沿長(zhǎng)度方向振動(dòng)，楔形結(jié)構(gòu)振動(dòng)片的前端面與轉(zhuǎn)子表面稍微傾構(gòu)振動(dòng)片的前端面與轉(zhuǎn)子表面稍微傾斜接觸斜接觸( (夾角為夾角為 ) )，誘發(fā)振動(dòng)片前端，誘發(fā)振動(dòng)片前端產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)的分量，產(chǎn)生橫向共振，產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)的分量，產(chǎn)生橫向共振，縱橫振動(dòng)合成的結(jié)果，使振動(dòng)片前端縱橫振動(dòng)合成的結(jié)果，使振動(dòng)片前端質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為橢圓。振動(dòng)片質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為橢圓。振動(dòng)片向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子接觸處的向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子接觸處的摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)；向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)；向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，脫離接觸，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的傳遞，轉(zhuǎn)子依脫離接觸，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的傳遞，轉(zhuǎn)子依靠其慣性保持方向向上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。靠

29、其慣性保持方向向上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種電機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但存在兩個(gè)缺點(diǎn)：這種電機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但存在兩個(gè)缺點(diǎn)：在振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子接觸處磨損嚴(yán)重；轉(zhuǎn)在振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子接觸處磨損嚴(yán)重；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較難控制，僅能單方向旋轉(zhuǎn)。子轉(zhuǎn)速較難控制，僅能單方向旋轉(zhuǎn)。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制日立日立MaxellMaxell公司的改進(jìn)型駐公司的改進(jìn)型駐波超聲波電動(dòng)機(jī)，采用機(jī)械波超聲波電動(dòng)機(jī)，采用機(jī)械扭轉(zhuǎn)連接器取代了楔形振動(dòng)扭轉(zhuǎn)連接器取代了楔形振動(dòng)片，借助扭轉(zhuǎn)連接器將壓電片，借助扭轉(zhuǎn)連接器將壓電振子產(chǎn)生的縱向振動(dòng)誘發(fā)出振子產(chǎn)生的縱向振動(dòng)誘發(fā)出扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，兩種振動(dòng)在扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，兩種

30、振動(dòng)在扭轉(zhuǎn)連接器前端合成質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)連接器前端合成質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這動(dòng)軌跡，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到種電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到120r/min120r/min，輸出轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)矩1.3N1.3N m m，能量轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)換效率為效率為8080，超過(guò)傳統(tǒng)電磁，超過(guò)傳統(tǒng)電磁型電機(jī)。型電機(jī)。 (3) 駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)采用扭轉(zhuǎn)連接器的駐波型超采用扭轉(zhuǎn)連接器的駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)聲波電動(dòng)機(jī) 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制 駐波超聲波電動(dòng)機(jī)是利用在彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來(lái)驅(qū)動(dòng)駐波超聲波電動(dòng)機(jī)是利用在彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來(lái)驅(qū)動(dòng)移移動(dòng)體移動(dòng)

31、。但是，單一的駐波并不能傳遞能量，因?yàn)閺椥泽w動(dòng)體移動(dòng)。但是，單一的駐波并不能傳遞能量，因?yàn)閺椥泽w表面質(zhì)點(diǎn)作同相振動(dòng)。因此，表面質(zhì)點(diǎn)作同相振動(dòng)。因此，駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)通過(guò)激發(fā)駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)通過(guò)激發(fā)并合成相互垂直的兩個(gè)駐波，使得彈性體表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓振并合成相互垂直的兩個(gè)駐波，使得彈性體表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓振動(dòng)，直接或間接地驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)而輸出能量動(dòng)，直接或間接地驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)而輸出能量。根據(jù)激勵(lì)兩個(gè)駐波振動(dòng)的方式不同根據(jù)激勵(lì)兩個(gè)駐波振動(dòng)的方式不同, ,駐波超聲波電動(dòng)機(jī)分為駐波超聲波電動(dòng)機(jī)分為: :采用兩個(gè)獨(dú)立的壓電振子分別激發(fā)互相垂直的兩個(gè)采用兩個(gè)獨(dú)立的壓電振子分別激發(fā)互相垂直的兩個(gè)駐波振動(dòng)，合成

32、彈性體表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動(dòng)軌跡。駐波振動(dòng)，合成彈性體表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動(dòng)軌跡。：模態(tài)轉(zhuǎn)換型僅有一個(gè)壓電振子激發(fā)某一方向的振動(dòng)，再模態(tài)轉(zhuǎn)換型僅有一個(gè)壓電振子激發(fā)某一方向的振動(dòng)，再通過(guò)一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)換振子同時(shí)誘發(fā)與其垂直的振動(dòng)，二者合成彈性體表面通過(guò)一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)換振子同時(shí)誘發(fā)與其垂直的振動(dòng)，二者合成彈性體表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動(dòng)軌跡，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)。（如前兩例）質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動(dòng)軌跡，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)。（如前兩例）第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制縱扭復(fù)合型超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)縱扭復(fù)合型超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)定子由兩個(gè)獨(dú)立的振子所定子由兩個(gè)獨(dú)立的振子所組成：縱向振子控制定子與轉(zhuǎn)子之

33、間的摩擦力組成：縱向振子控制定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦力( (正壓力正壓力) )；扭；扭轉(zhuǎn)振子控制輸出轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)振子控制輸出轉(zhuǎn)矩。由于兩種復(fù)合運(yùn)動(dòng)可獨(dú)立控制，所以其輸出轉(zhuǎn)矩大，工作穩(wěn)定，可雙向運(yùn)由于兩種復(fù)合運(yùn)動(dòng)可獨(dú)立控制，所以其輸出轉(zhuǎn)矩大，工作穩(wěn)定，可雙向運(yùn)動(dòng)，并且為設(shè)計(jì)者提供了較大的設(shè)計(jì)空間。動(dòng)，并且為設(shè)計(jì)者提供了較大的設(shè)計(jì)空間。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制（4 4）非接觸式超聲波電動(dòng)機(jī)）非接觸式超聲波電動(dòng)機(jī) 定子與轉(zhuǎn)子之間不直接接觸，而定子與轉(zhuǎn)子之間不直接接觸，

34、而是在它們之間填充一種介質(zhì)：液是在它們之間填充一種介質(zhì)：液體或氣體。當(dāng)定子振動(dòng)時(shí)，也就體或氣體。當(dāng)定子振動(dòng)時(shí)，也就引起了介質(zhì)的振動(dòng)，在介質(zhì)與轉(zhuǎn)引起了介質(zhì)的振動(dòng)，在介質(zhì)與轉(zhuǎn)子的接觸面就形成了摩擦力，從子的接觸面就形成了摩擦力，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。非接觸式超聲而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。非接觸式超聲波電動(dòng)機(jī)是以犧牲轉(zhuǎn)矩為代價(jià)的，波電動(dòng)機(jī)是以犧牲轉(zhuǎn)矩為代價(jià)的，其驅(qū)動(dòng)力都很小。其驅(qū)動(dòng)力都很小。東京工業(yè)大學(xué)東京工業(yè)大學(xué)Tohgo Yamazaki等研制的圓筒型非接觸式超聲波電動(dòng)機(jī)。其等研制的圓筒型非接觸式超聲波電動(dòng)機(jī)。其定子由硬鋁制成，定子圓筒長(zhǎng)為定子由硬鋁制成，定子圓筒長(zhǎng)為16.5mm、內(nèi)徑、內(nèi)徑56mm、外徑、外

35、徑61.8 mm，并由，并由兩個(gè)兩個(gè)Langevin振子激勵(lì)，形成行波。筒型轉(zhuǎn)子放置在定子筒內(nèi)。當(dāng)定子產(chǎn)振子激勵(lì)，形成行波。筒型轉(zhuǎn)子放置在定子筒內(nèi)。當(dāng)定子產(chǎn)生行波時(shí)，轉(zhuǎn)子懸浮起來(lái)并沿著行波前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電源的頻率為生行波時(shí)，轉(zhuǎn)子懸浮起來(lái)并沿著行波前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電源的頻率為26kHz，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3000 r/min。由于采用了。由于采用了Langevin振子，電機(jī)振子，電機(jī)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，占有的空間較大，而且形狀不規(guī)則，因而限制了它的應(yīng)用結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，占有的空間較大，而且形狀不規(guī)則，因而限制了它的應(yīng)用場(chǎng)合。場(chǎng)合。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)

36、機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制(5) (5) 多自由度超聲波電動(dòng)機(jī)多自由度超聲波電動(dòng)機(jī) 三自由度超聲波電機(jī)三自由度超聲波電機(jī)兩自由度超聲波電動(dòng)機(jī)兩自由度超聲波電動(dòng)機(jī) 電機(jī)由球形轉(zhuǎn)子、兩對(duì)徑向定子等組成。定子是電機(jī)由球形轉(zhuǎn)子、兩對(duì)徑向定子等組成。定子是一個(gè)短圓柱體，用等截面梁穿過(guò)定子來(lái)施加軸向一個(gè)短圓柱體，用等截面梁穿過(guò)定子來(lái)施加軸向力，使得定子與轉(zhuǎn)子緊密接觸。利用粘貼在定子力，使得定子與轉(zhuǎn)子緊密接觸。利用粘貼在定子上的壓電陶瓷同時(shí)在定子上激發(fā)出兩個(gè)在空間互上的壓電陶瓷同時(shí)在定子上激發(fā)出兩個(gè)在空間互相垂直的振動(dòng)模態(tài)，兩個(gè)模態(tài)合成使得定子側(cè)表相垂直的振動(dòng)模態(tài)，兩個(gè)模態(tài)合成使得定子側(cè)表面產(chǎn)生行波

37、，從而通過(guò)摩擦接觸驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)面產(chǎn)生行波，從而通過(guò)摩擦接觸驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。兩對(duì)徑向定子置于一個(gè)平面內(nèi)不同的位置，動(dòng)。兩對(duì)徑向定子置于一個(gè)平面內(nèi)不同的位置，這樣電機(jī)就可得到兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。這樣電機(jī)就可得到兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)7 7 行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制 (1)控制電壓幅值控制電壓幅值。在一定范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電壓幅值與駐波振幅在一定范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電壓幅值與駐波振幅呈線性關(guān)系，因此通過(guò)調(diào)節(jié)壓電陶瓷元件的激勵(lì)電壓，可呈線性關(guān)系，

38、因此通過(guò)調(diào)節(jié)壓電陶瓷元件的激勵(lì)電壓，可以實(shí)現(xiàn)線性調(diào)速。以實(shí)現(xiàn)線性調(diào)速。但調(diào)速范圍受到限制。電壓過(guò)低但調(diào)速范圍受到限制。電壓過(guò)低,壓電元壓電元件不會(huì)起振件不會(huì)起振;電壓過(guò)高電壓過(guò)高,又會(huì)接近壓電元件的工作極限。又會(huì)接近壓電元件的工作極限。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制(2)(2)變頻控制變頻控制,通過(guò)調(diào)節(jié)諧振點(diǎn)附近的頻率控制速度和力矩通過(guò)調(diào)節(jié)諧振點(diǎn)附近的頻率控制速度和力矩,因?yàn)殡姍C(jī)動(dòng)作點(diǎn)在諧振點(diǎn)附近因?yàn)殡姍C(jī)動(dòng)作點(diǎn)在諧振點(diǎn)附近,且調(diào)頻具有響應(yīng)快的特且調(diào)頻具有響應(yīng)快的特點(diǎn)。點(diǎn)。變頻調(diào)速對(duì)超聲電機(jī)較為合適變頻調(diào)速對(duì)超聲電機(jī)較為合適。第第 6 章章 超

39、超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制(3) 相位差控制相位差控制,改變兩相電壓的相位差,從而改變定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。但低速啟動(dòng)困難,驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8 8 超聲波電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用超聲波電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用 8.1 8.1 在照相機(jī)上的應(yīng)用在照相機(jī)上的應(yīng)用 1990年佳能公司開(kāi)發(fā)了環(huán)形超聲電機(jī)，如圖所示，其轉(zhuǎn)年佳能公司開(kāi)發(fā)了環(huán)形超聲電機(jī)，如圖所示，其轉(zhuǎn)速為速為37 r/min，扭矩為，扭矩為0. 03 N m。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及

40、其控制 環(huán)形超聲電機(jī)作為佳能公司中高級(jí)鏡頭使用的對(duì)焦電機(jī)，環(huán)形超聲電機(jī)作為佳能公司中高級(jí)鏡頭使用的對(duì)焦電機(jī)，啟動(dòng)和制動(dòng)的速度比傳統(tǒng)的對(duì)焦電機(jī)快。由于環(huán)形超聲電機(jī)啟動(dòng)和制動(dòng)的速度比傳統(tǒng)的對(duì)焦電機(jī)快。由于環(huán)形超聲電機(jī)具有低速大扭矩的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。較大的自鎖扭具有低速大扭矩的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。較大的自鎖扭矩，使得超聲電機(jī)停轉(zhuǎn)后，能迅速自動(dòng)鎖住鏡頭。環(huán)形超聲矩，使得超聲電機(jī)停轉(zhuǎn)后，能迅速自動(dòng)鎖住鏡頭。環(huán)形超聲電機(jī)的構(gòu)造極其簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)沒(méi)有聲音，具有優(yōu)異的啟停響電機(jī)的構(gòu)造極其簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)沒(méi)有聲音，具有優(yōu)異的啟停響應(yīng)和控制性能。高效率和低功耗使得鏡頭的轉(zhuǎn)動(dòng)可以直接利應(yīng)和控制性能。高效率和低

41、功耗使得鏡頭的轉(zhuǎn)動(dòng)可以直接利用照相機(jī)的電池供電。用照相機(jī)的電池供電。 1992年，佳能又推出了適于大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)的價(jià)格低年，佳能又推出了適于大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)的價(jià)格低廉的小型桿式超聲波電機(jī)。廉的小型桿式超聲波電機(jī)。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8.2 8.2 在手機(jī)上的應(yīng)用在手機(jī)上的應(yīng)用 韓國(guó)的三星公司將長(zhǎng)為韓國(guó)的三星公司將長(zhǎng)為5 mm，直徑為，直徑為1. 6 mm的兩個(gè)超的兩個(gè)超聲電機(jī)應(yīng)用于手機(jī)照相系統(tǒng)中，在增加極少重量和體積的情聲電機(jī)應(yīng)用于手機(jī)照相系統(tǒng)中，在

42、增加極少重量和體積的情況下，安裝了手機(jī)的光學(xué)變焦機(jī)構(gòu)，能達(dá)到?jīng)r下，安裝了手機(jī)的光學(xué)變焦機(jī)構(gòu)，能達(dá)到4倍光學(xué)變焦。倍光學(xué)變焦。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8.3 8.3 在手表上的應(yīng)用在手表上的應(yīng)用 日本精工公司早在日本精工公司早在1991年就推出了一款配置微型超聲年就推出了一款配置微型超聲電機(jī)的手表。但這個(gè)超聲電機(jī)的不足之處是驅(qū)動(dòng)電路和電電機(jī)的手表。但這個(gè)超聲電機(jī)的不足之處是驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，而且很難進(jìn)一步小型化。為了簡(jiǎn)化結(jié)機(jī)的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，而且很難進(jìn)一步小型化。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，精工公司采用了駐波型超聲電機(jī)，構(gòu)，精工公司采用了駐波

43、型超聲電機(jī)，1996年成功地將直年成功地將直徑為徑為8 mm的這種超聲電機(jī)用于手表的振動(dòng)報(bào)警，振動(dòng)是由的這種超聲電機(jī)用于手表的振動(dòng)報(bào)警，振動(dòng)是由電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力引起的。電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力引起的。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制 目前帶日歷的手表中，傳統(tǒng)的日歷驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要一個(gè)步進(jìn)目前帶日歷的手表中，傳統(tǒng)的日歷驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和多級(jí)減速齒輪，以產(chǎn)生較大的扭矩推動(dòng)日歷輪轉(zhuǎn)動(dòng)。這電機(jī)和多級(jí)減速齒輪，以產(chǎn)生較大的扭矩推動(dòng)日歷輪轉(zhuǎn)動(dòng)。這就使得整套日歷機(jī)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)部件的尺寸也較大。為了解決就使得整套日歷機(jī)構(gòu)復(fù)雜

44、，運(yùn)動(dòng)部件的尺寸也較大。為了解決這個(gè)問(wèn)題，精工公司研制了一種超聲電機(jī)，用它作為日歷的驅(qū)這個(gè)問(wèn)題，精工公司研制了一種超聲電機(jī)，用它作為日歷的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。這個(gè)直徑為動(dòng)機(jī)構(gòu)。這個(gè)直徑為4. 5 mm，厚度為，厚度為2. 5 mm的超聲電機(jī)的啟的超聲電機(jī)的啟動(dòng)扭矩是動(dòng)扭矩是0. 02 mN m，不帶負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為，不帶負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為2 000 r/min，驅(qū)，驅(qū)動(dòng)頻率約為動(dòng)頻率約為630kHz。啟動(dòng)扭矩是傳統(tǒng)手表中電磁步進(jìn)電機(jī)的。啟動(dòng)扭矩是傳統(tǒng)手表中電磁步進(jìn)電機(jī)的10倍。倍。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8.4 8.4 在醫(yī)療器械上的應(yīng)用在醫(yī)療器械

45、上的應(yīng)用 美國(guó)加州大學(xué)研制的智能藥片美國(guó)加州大學(xué)研制的智能藥片第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8.5 8.5 在汽車上的應(yīng)用在汽車上的應(yīng)用 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8.6 8.6 在機(jī)器人上的應(yīng)用在機(jī)器人上的應(yīng)用 第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制日本愛(ài)普生公司利用自行研制的世界日本愛(ài)普生公司利用自行研制的世界上最薄的超聲電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的昆蟲(chóng)機(jī)器上最薄的超聲電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的昆蟲(chóng)機(jī)器人。其質(zhì)量只有人。其質(zhì)量只有12. 5 g，每秒可移動(dòng)，每秒可移動(dòng)1

46、50 mm，超聲電機(jī)的厚度只有，超聲電機(jī)的厚度只有0. 04 mm 。日本愛(ài)普生公司利用同樣的超聲電機(jī)開(kāi)發(fā)日本愛(ài)普生公司利用同樣的超聲電機(jī)開(kāi)發(fā)的世界上最小最輕的空中機(jī)器人。它的最的世界上最小最輕的空中機(jī)器人。它的最大直徑約為大直徑約為136 mm，高度約為，高度約為85 mm，加，加上電池的質(zhì)量為上電池的質(zhì)量為12. 3 g，持續(xù)飛行時(shí)間為，持續(xù)飛行時(shí)間為3 min。它運(yùn)用了藍(lán)牙無(wú)線控制技術(shù)，能夠。它運(yùn)用了藍(lán)牙無(wú)線控制技術(shù)，能夠進(jìn)行獨(dú)立飛行。它由兩個(gè)高性能超薄型超進(jìn)行獨(dú)立飛行。它由兩個(gè)高性能超薄型超聲電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的槳葉，聲電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的槳葉，獲得升力。獲得升力。

47、第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制日本慶應(yīng)大學(xué)研制的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)五指靈巧手。五指靈巧手有日本慶應(yīng)大學(xué)研制的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)五指靈巧手。五指靈巧手有20個(gè)關(guān)節(jié)個(gè)關(guān)節(jié)(自由度自由度)，每個(gè)關(guān)節(jié)均采用雙端輸出的外徑為，每個(gè)關(guān)節(jié)均采用雙端輸出的外徑為30 mm，輸出軸徑為輸出軸徑為4 mm的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)。超聲電機(jī)全部置于手掌內(nèi)，的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)。超聲電機(jī)全部置于手掌內(nèi)，可以完成強(qiáng)力抓取和精確抓取，整個(gè)靈巧手的質(zhì)量?jī)H為可以完成強(qiáng)力抓取和精確抓取，整個(gè)靈巧手的質(zhì)量?jī)H為853 g。在此之前，有文獻(xiàn)記載的采用傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的最輕靈巧手質(zhì)量在此之前，有文獻(xiàn)記載的采用傳統(tǒng)電

48、機(jī)驅(qū)動(dòng)的最輕靈巧手質(zhì)量為為1 400 g。由于超聲電機(jī)具有響應(yīng)快的特點(diǎn)，使得機(jī)器手的反。由于超聲電機(jī)具有響應(yīng)快的特點(diǎn)，使得機(jī)器手的反應(yīng)速度比人手還快。應(yīng)速度比人手還快。第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制8.7 8.7 在航空航天上的應(yīng)用在航空航天上的應(yīng)用 NASA NASA 將超聲電機(jī)用于空間機(jī)器人技術(shù)將超聲電機(jī)用于空間機(jī)器人技術(shù)Coddar Space F ligh t Cen ter 將超聲電機(jī)應(yīng)用于空間機(jī)器人技術(shù)。其中微型機(jī)器手MicroArm I 使用了具有力矩0. 05 Nm 的超聲電機(jī)?；鹦菣C(jī)器手MarsArm II 使用了3個(gè)具有力

49、矩為0. 68Nm 和一個(gè)具有0. 11 Nm 的超聲電機(jī)第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制第第 6 章章 超超 聲聲 波波 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制9 超聲波電機(jī)存在的問(wèn)題及研究重點(diǎn)超聲波電機(jī)存在的問(wèn)題及研究重點(diǎn)USMUSM與傳統(tǒng)電磁式電機(jī)相比有無(wú)可替代的優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在一些問(wèn)與傳統(tǒng)電磁式電機(jī)相比有無(wú)可替代的優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在一些問(wèn)題：題：從理論上來(lái)說(shuō)，目前超聲波電機(jī)仍然沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的從理論上來(lái)說(shuō)，目前超聲波電機(jī)仍然沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)其振動(dòng)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的描述。由于壓電材料數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)其振動(dòng)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的描述。由于壓電材料的特殊性、摩擦發(fā)熱和環(huán)境變化等問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的摩擦力將產(chǎn)生嚴(yán)的特殊性、摩擦發(fā)熱和環(huán)境變化等問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的摩擦力將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性變化。這種變化使控制電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的難度大大增加。此重的非線性變化。這種變化使控制電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的難度大大增加。此外，由于壓電材料的特殊性，使得每一臺(tái)超聲波電動(dòng)機(jī)所需要的驅(qū)動(dòng)外，由于壓電材料的特殊性，使得每一臺(tái)超聲波電動(dòng)機(jī)所需要的驅(qū)動(dòng)電源都不相同，這樣，電機(jī)和電源必須一一配套，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。電源都不相同，這樣，電機(jī)和電源必須一一配套，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。超聲波電機(jī)的壽命大約超聲波電機(jī)的壽命大約2000